ASE復合樁技術設計及試驗研究

汪攀峰

(浙江明仲巖土工程技術有限公司，浙江杭州 310015)

0 引言

我國各種大型基礎設施正在大興建設，沿海地區(qū)由于城市建設及經(jīng)濟發(fā)展需要，對大面積的江河湖海進行吹填，進而形成陸地。該類吹填土屬于超軟土，具有低強度、高壓縮性和低滲透性等工程特性[1-4]，因此需要對其進行相應的加固措施，以達到設計所需的沉降和承載力的要求[2]。

在進行地基處理前期，由于場地為吹填淤泥，承載力極低，機械設備無法進場[5]，故需要進行前期的交地加固處理。較為常用的大面積處理方法是真空預壓法，但是在進行真空預壓時，其使用的排水板經(jīng)常會由于各種情況而產(chǎn)生淤堵[6]，使得其加固效果不佳。基于該缺陷，從水泥土攪拌樁和CFG樁出發(fā)，結合工程實踐，提出了ASE復合樁(Active material-Sinking-Expanding Composite Pile，活性材料沉管擴徑復合樁)及其施工方法。

1 技術設計

1.1 工法簡介

該復合樁擬利用水泥、MK(偏高嶺土)、生石灰、聚羧酸(用作減水劑)為主控材料(或其他成品固化劑)，海砂、海泥、粉土、建筑垃圾(例如粉煤灰等)等粗料為輔助材料，結合沉管樁機及攪拌樁機打設樁徑為800 mm及以上的ASE樁，從而實現(xiàn)地基的淺層整體加固或柱狀式加固。

1.2 加固機理

地基處理的基本原理，根據(jù)不同的加固方法可歸納為挖、填、換、夯、壓、擠、拌，分別或組合對應不同的地基處理技術，比如強夯法、換填法、化學固結法等(見圖1)。

圖1 ASE復合樁加固機理示意圖

擠——即先將帶樁靴的樁管打入土中，向四周擠壓土體形成樁孔，然后拔出樁管，再在樁孔內灌入砂石或石灰、素土、灰土等填料進行震動搗實，或者隨著填料的灌入逐漸拔出樁管。這種方法實用于加固松軟飽和土地基，其原理就是擠密土體，排水固結，以提高地基的承載力，故也稱為擠密樁。如水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)。

拌——即用旋轉噴射法或深層攪拌法加固地基。其原理是利用噴射漿液切削土體，利用機械葉片攪拌漿土，使?jié){液和土壤混合，凝結成堅硬的柱體或土壁。如水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁。

ASE樁結合了CFG樁及水泥土攪拌樁的特點，即“擠”“拌”復合，既有擠密樁周土體、加速排水固結的效應，又有直接拌和加固材料與土體，形成相對高強度加固土柱的作用。

1.3 施工工藝

ASE復合樁主要包含：材料、投料、攪拌三方面。

(1)復合材料

ASE復合樁的樁身材料主要由2部分構成：一部分是主控材料，即固化細料，包括水泥、MK、生石灰以及聚羧酸等，也可采用其他成品固化劑；另一部分為輔助材料，即固化粗料：海砂、粉土以及當?shù)毓I(yè)廢料(如粉煤灰、水渣、礦渣等)[7]。

以水泥、MK、生石灰等為主要材料，利用復合材料的水化作用來加固土體，使其達到所需的承載力強度；然后加入海砂、粉土、建筑廢材等粗骨料作為輔助材料，為吹填淤泥提供顆粒骨架，提高強度，又能節(jié)省材料，降低造價。

(2)施工流程

①施工方法

根據(jù)活性復合材料及外摻骨料的設計摻入量，計算沉管直徑，先進行沉管投料施工，再原位擴徑攪拌。

②施工步驟

材料制備—沉管成孔—投料—原位擴徑攪拌—樁頭震動處理(見圖2)。其中，沉管成孔投料方法分兩種，一種是震動沉管法，與常規(guī)的沉管灌注樁一致，管徑大小選擇依據(jù)計算材料體積，先將鋼管震動打入，往管內投入固化材料，再將鋼管拔出。此法特點是沉管過程有擠土作用，形成超靜孔隙水壓力[8]，在后續(xù)的擴徑攪拌過程將部分消散。另一種是螺旋鉆取土泵壓法，也就是目前常用的CFG樁沉樁方法，長螺旋鉆桿鉆至一定深度后，通過螺旋鉆桿泵送固化材料，以一定速度邊泵送邊拔螺旋鉆桿，再擴徑攪拌。此法特點是原位取土，對樁周土擾動較小，不易產(chǎn)生超靜水壓力[9]。擴徑攪拌后，樁頭由于自重應力不足容易形成孔隙空洞，須進行震動密實處理。

圖2 ASE復合樁施工工藝流程示意圖

③技術特點

a.采用雙塔多功能打樁機架，調整兩個塔架之間的距離以適用不同樁間距要求，兩個塔架分別作為孔投料施工和攪拌擴徑施工(本次試驗采用同等效果簡易施工方式)；

b.將攪拌葉片設置成環(huán)刀狀，環(huán)刀凸出方向為攪拌轉動方向，從而將混合漿材料推至樁周(見圖3)；

圖3 攪拌葉片示意圖

c.根據(jù)配合比實驗確定的固化材料摻入量，計算沉管樁徑，先制備材料投放，再原位擴徑攪拌。

1.4 設備的改進

(1)樁機的改進

參考目前市場上常用的雙塔水泥土攪拌樁或鉆孔灌注樁施工機械設備，研發(fā)專用于ASE復合樁的成套施工設備(見圖4)，具備邊沉管投料邊攪拌成樁的特點，尤其是對常規(guī)的攪拌刀具葉片進行優(yōu)化改裝，在確保樁體不同深度材料投放有效控制的同時，大大改善攪拌的均勻性，實現(xiàn)施工質量可控。

圖4 施工設備及工藝設計示意圖

依托工程項目，通過試打樁試驗不斷調整漿液塌落度、攪拌和提升速度、攪拌遍數(shù)等參數(shù)，在此基礎上形成一套高效、實用的施工工法。

(2)投料管樁靴改進

投料管樁靴采用6瓣式可活動樁靴，由6個葉片組成，進行沉管時，葉片密閉合攏，呈圓錐狀，使土體不會進入鋼管中；提管時，由于管內材料和葉片自身的重力作用，使得葉片自動打開，葉片與地面呈垂直角度，材料順利進入土中(見圖5)。

圖5 樁靴示意圖

2 現(xiàn)場試驗

試驗場地位于廈門市翔安區(qū)濱海東大道，該地區(qū)采用填海造陸形成陸域，場地地基極其軟弱。現(xiàn)場開展了1個試驗區(qū)(面積約為20 m×15 m)，圖6為試驗場地。

圖6 場地概況

2.1 試驗方案

為了實現(xiàn)場地的整體加固效果，將水泥土攪拌樁與CFG樁的施工工法相結合：攪拌樁整體樁徑擴大(試驗樁徑為80 cm)，并摻入水泥、海砂、礦粉、石灰、MK作為外摻劑來提高復合樁的整體強度。

試驗步驟為：

①利用振動錘在場地指定位置進行沉管；

②人工將拌和材料投入管中，待管滿后提管；

③重復上述①、②步驟，同一根樁進行三次沉管；

④利用樁機對沉管位置的土體進行雙向攪拌(樁徑為800 mm)。

2.2 試驗設計

根據(jù)室內試驗、工程造價以及路面路用性能等因素確定了該復合攪拌樁的三組配合比參數(shù)，三種樁型的配合比見表1，試驗點位見圖7。

表1 三組復合樁的配合比

圖7 試驗場地樁位布置示意圖

由于條件限制，現(xiàn)場試樁時，采用人工進行材料的拌和投料，以及兩臺攪拌樁機，其中一臺改造用于沉管投料，另一臺用于攪拌(見圖6)。施工時一臺樁機完成沉管投料后立即移位，另一臺樁機開始攪拌施工。

3 試驗檢測

為了明確新型ASE復合樁的強度以及含砂率，對試樁進行鉆孔取芯及標貫試驗，芯樣帶回進行室內試驗，表2 為取芯與標貫對應的樁號。

表2 取芯與標貫樁位表

3.1 鉆孔取芯

根據(jù)復合樁的齡期、攪拌方式以及現(xiàn)場實際概況，確定了取芯的樁樣編號：A4、B4、B9、C2，共4根，取芯長度為8.5 m，圖8為三根復合樁的芯樣。

圖8 復合樁芯樣

在上述的芯樣中，B4的取芯率是比較完整的；而B9幾乎只有在8 m下的持力層處才取出了一點芯樣(中間部分全部為淤泥狀，無完整芯樣)；C2的取芯率也不如B4好，推測可能是由于齡期太短，沒有達到該有的強度，故部分芯樣沒取出來；A4由于水泥摻量較低，較為軟弱，芯樣呈流塑狀，取不到芯樣。

3.2 現(xiàn)場標貫

每2 m為一組，上面1 m進行取芯，下面1 m進行標貫試驗，試驗線將鉆具鉆至試驗土層標高以下15 cm處后，記錄3次打入30 cm的錘擊數(shù)[10]。

3.3 試驗結果

(1)參考《工程地質手冊》(第五版)，Terzaghi提出的標貫擊數(shù)與地基承載力的對應關系為

fk=12N

式中：fk為地基承載力，kPa；N為標準貫入試驗擊數(shù)。

(2)《港口巖土工程勘察規(guī)范》(JTS 133—1—2010)提出標貫擊數(shù)與無側限抗壓強度的對應關系見表3，其中qu為無側限抗壓強度，kPa。

表3 標貫擊數(shù)與無側限抗壓強度的對應關系

針對數(shù)據(jù)較完整的B4、B10、C2三根樁，數(shù)據(jù)如表4、圖9所示。

圖9 三組樁標貫擊數(shù)對比示意圖

表4 B4、B10、C2芯樣數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以分析出：

(1)投料中的砂主要集中在樁身的中間部位(2～6 m)，在2～3 m的含砂量較多，上部和下部的含砂率較低，由此推論投入的砂在擴徑攪拌過程中集中跑到了樁身中部，分析認為固化粗料粒徑較大，在擴徑攪拌提升過程中與葉片的黏聚力大，可能部分固化粗料會重新被提升至樁身上部。雙向擴徑攪拌明顯好于單向擴徑攪拌。

(2)由強度數(shù)據(jù)可知，C樁的強度最大，而C樁的固化細料摻量高于A樁及B樁，分析認為強度的主要影響因素在于固化細料。雙向攪拌樁的強度也大于單向攪拌的強度，說明雙向擴徑攪拌的效果更為均勻。

(3)單向擴徑攪拌的B樁強度已可達到了淺層地基處理所需要的承載力，故可以根據(jù)該樁的配合比進一步優(yōu)化，建議可降低水泥的摻量，提高砂的含量進行雙向攪拌處理，或保持水泥摻量不變，提高砂的含量進行單向攪拌處理。

4 結論

(1)針對吹填淤泥的超軟土工程性質，提出了ASE樁的概念，即沉管投入復合材料再原位擴徑攪拌的施工技術，并進行了現(xiàn)場試驗。

(2)根據(jù)現(xiàn)場簡易試驗數(shù)據(jù)，ASE樁的復合材料配比對成樁質量影響較大，即固化細料與骨架粗料的配合比較理想時，可形成較為理想的樁體。成樁質量主要受固化細料影響，骨架粗料的效果發(fā)揮需要依賴一定配合比基礎的固化細料。

(3)根據(jù)現(xiàn)場簡易試驗，先沉管投料再擴徑攪拌的工藝是可行的，建議研發(fā)專用的雙塔型施工設備，一邊沉管投料，一邊擴徑攪拌，流水施工，確保工效。環(huán)刀型葉片能夠實現(xiàn)擴徑的效果，且雙向擴徑攪拌的效果要好于單向擴徑攪拌的效果。

ASE樁的設計計算方法及理論還需做進一步研究，可參考CFG樁與攪拌樁的相關理論開展工作。在工地現(xiàn)場進行了初步的概念性試驗，試驗得到的數(shù)據(jù)較少，尚不能充分驗證ASE樁的可行性及技術機理，但可為地基處理技術的發(fā)展提供新的思路。